الجاذبية الارضية من منظور عدة نظريات فيزيائية

السلام عليكم
الجاذبية
الأرضية عبارة عن قوة تجذب كل الأجسام الموجودة في الكون جهة مركز الأرض ،
وهي أكثر الأنواع الشائعة من أربعة تفاعلات رئيسية للمادة. وللجاذبية
خصائص رئيسية متعددة تميزها عن التفاعلات الرئيسية الأخرى، ألا وهي القوة
الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة.
أولا:
أنها قوة شاملة تؤثر على كل أشكال المادة والطاقة بطريقة كبيرة بينما تؤثر
كل التفاعلات الأخرى تأثيرا مباشرا على أنواع معينة من الجسيمات. على سبيل
المثال، تؤثر القوى الكهرومغناطيسية على الجسيمات المشحونة فقط. ثانيا:
أنها قوة جذب فقط بخلاف القوى الأخرى التي هي قوى جذب وطرد. ثالثا: أنها
تتفاعل بشكل طويل المدى، عكس القوى الأخرى المحدودة في نطاق معين. رابعا:
أنها أضعف أنواع القوى الأربعة الرئيسية، حيث أن لها تأثيرا ضعيفا على
الجسيمات البسيطة الملاصقة لها.
ولقد كانت هناك محاولات عديدة لوصف
وتفسير الجاذبية عبر التاريخ. ففي عام 330 قبل الميلاد، زعم أرسطو أن
للعناصر الأربعة -الأرض والماء والهواء والنار- مواقعها الطبيعية وهي تميل
إلى التحرك باتجاه هذه المواقع. وقد ذهب إلى أن الأجسام التي تحتوي على
مقادير من الأرض أكبر من غيرها تسقط نحو الأرض بصورة أسرع وأن سرعتها تزيد
عندما تقترب من موقعها الطبيعي.
وفي القرن الرابع الهجري / العاشر
الميلادي عبر البيروني بشكل واضح عن مفهوم الجاذبية الأرضية في رده على
المعترضين على دوران الأرض فقال كتابه القانون المسعودي : "الناس على
الأرض منتصبو القامات على استقامة أقطار الكرة، وعليها أيضا نزول الأثقال
إلى الأسفل".
أما الهمداني من علماء القرن التاسع الهجري / الخامس عشر
الميلادي فقد عبر بوضوح عن مفهوم الجاذبية فذكر في كتابه الجوهرتين عن
الأرض وما يرتبط بها من أركان ومياه وهواء ما نصه: "فمن كان تحتها (أي تحت
الأرض) فهو في الثبات في قامته كمن فوقها، ومسقطه وقدمه إلى سطحها الأسفل
كمسقطه إلى سطحها الأعلى، وكثبات قدمه عليه. فهي بمنزلة حجر المغناطيس
الذي تجذب قواه الحديد إلى كل جانب. فأما ما كان فوقه فإن قوته وقوة الأرض
تجتمعان على جذبه وما د ار به فالأرض أغلب عليه إذا كان الحديد مثلا يمس
أجزاء الحجر والأرض أغلب عليه بالجذب لأن القهر من هذه الحجارة لا يرفع
العلاة ولا سفلة الحداد".
في تعبير عن تناسب عجلة الجاذبية الأرضية مع
بعد المسافة عن مركز الأرض أشار ابن سينا في كتابه الشفاء ما نصه:
"والخفيف المطلق هو الذي في طباعه أن يتحرك إلى غاية البعد عن المركز،
ويقتضي طبعه أن يقف طافيا بحركته فوق الأجرام كلها، وأعني بالطافي ليس كل
وضع فوق جسم، بل وضعا يصلح أن يكون منتهى حركة. والثقيل المطلق ما يقابله
حق المقابلة، فتكون حركته أسرع حركة لميله إلى غاية البعد عن المحيط خارقا
كل جسم غيره، فيقتضي أن يقف رأسيا تحت الأجسام كلها".
ولقد بحث ابن
ملكا البغدادي حركة المقذوفات من حيث أن حركتها إلى أعلى تعاكس فعل
الجاذبية الأرضية، فتبطأ من تسارعها حتى تصل إلى نقطة الصفر ثم ترتد راجعة
إلى سطح الأرض بفعل الجاذبية الأرضية. فيقول في كتابه المعتبر : "من توهم
أن بين حركة الحجر علوا المستكرهة بالتحليق وبين انحطاطه وقفة فقد أخطأ.
وإنما تضعف القوة المستكرهة له وتقوى قوة ثقله، فتصغر الحركة، وتخفى حركته
على الطرف، فيتوهم أنه ساكن". ويضيف: "فكذلك الحجر المقذوف فيه ميل مقاوم
للميل المقذوف، إلا أنه مقهور بقوة القاذف، ولأن القوة القاسرة عرضية فيه
فهي تضعف لمقاومة هذه القوة والميل الطبيعي ولمقاومة المخروق... فيكون
الميل القاسر في أوله على غاية القهر للميل الطبيعي، ولا يزال يضعف ويبطئ
الحركة ضعفا وبطئا بعد بطء حتى يعجز عن مقاومة الميل الطبيعي، فيغلب الميل
الطبيعي فيحرك إلى جهته".
ولقد ظل تفسير ابن ملكا سائدا طوال ستة قرون
حتى عام 1012هـ / 1604 م. عندما استنتج العالم الإيطالي جاليليو جاليلي أن
الجاذبية تمنح عجلة محددة وليست سرعة وأن هذه العجلة متساوية لكل الأجسام
التي تتحرك في الفراغ.
أما العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن فقد قدم تصورا
لنظرية الجاذبية الأرضية حيث توصل في عام 1014هـ / 1606 م. إلى أن مدار
القمر يعتمد على نفس نوع القوة التي تجعل التفاحة تسقط على الأرض. وتتطلب
هذه النظرية أن يتناقص مقدار القوة على أن يتناسب عكسيا مع مربع المسافة
من مركز الأرض. وقد دمج نيوتن قانون مربع المس افة مع قوانين الحركة
الثلاثة التي توصل إليها وكون نظرية الجاذبية العامة والتي تنص على أنه
توجد جاذبية بين كل زوجين من الأجسام تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.
ولكن
نيوتن لم يعط سببا للجاذبية، بل في حقيقة القول، لقد تجنب نيوتن أساسا
تسميتها باسمها "الجاذبية" وإنما تحدث بدلا من ذلك عن "أجسام تنجذب نحو
بعضها الآخر". وقد كان هذا الاستنتاج كافيا للتوصل إلى قوانين كيبلر
الخاصة بحركة الكواكب، والمد والجزر في المحيطات ونظرية الاعتدال الربيعي
والخريفي. وفي عام 1262هـ / 1846 م. استخدمت نظرية الجاذبية في التنبؤ
بكوكب جديد واكتشافه ألا وهو نيبتون.
وقد صاغ نيوتن قانون الجاذبية
لأول مرة عام 1095هـ / 1684 م. والذي ينص على أن الجاذبية بين جسمين
تتناسب تماما مع ناتج كتلة هذين الجسمين وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة
بينهما.

وقد حدد هنري كافنديش قيمة ج لأول مرة عام 1212هـ / 1798
م. حيث قام بقياس قوة الجاذبية بين جسمين كرويين ذوي كتلة معروفة. وتعرف
هذه التجربة باسم "وزن الأرض"، وذلك لأنه بمجرد تحديد ج، يمكن تحديد كتلة
الأرض ك (ض) من القيمة الفلكية المعروفة لـ ج ك (ض). وقد كررت التجربة عدة
مرات بنجاح متزايد.




وفي
عام 1323هـ / 1905 م. طور ألبرت أينشتين نظريته الخاصة بالنسبية التي عدلت
نظرية الجاذبية لدى نيوتن. وقد سعى أينشتين إلى وصف الجاذبية بطريقة
مستقلة عن حركة من يقوم بملاحظتها، وقد أدى هذا إلى التوصل إلى نظرية
هندسية تصف الجاذبية وصفا دقيقا. وطبقا لما ذهب إليه أينشتين، تؤثر
الجاذبية على كل أشكال المادة والطاقة.
بالإضافة إلى بيان تأثير
الجاذبية على المادة، أوضح أينشتين تأثير المادة على الجاذبية. وقد انتهى

أينشتين من هذه النظرية عام 1254هـ / 1915 م. وأصبحت تسمى "النسبية العامة

[color=#0000FF]وقد
درس الفلكيون القدماء حركة القمر والكواكب.كما قراءنا اعلاه ولكن هذه
الحركة لم تُفسر بشكل صحيح إلا في أواخر القرن السابع عشر، عندما أوضح
العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن أن هناك ارتباطًا بين القوى الجاذبة
للأجسام نحو الأرض وأسلوب حركة الكواكب. بنى نيوتن دراسته على الدراسة
الدقيقة لحركة الكواكب، والتي قام بها اثنان من الفلكيين في أواخر القرن
السادس عشر الميلادي وأوائل القرن السابع عشر الميلادي، وهما تيخو براهي
الدانمركي و يوهانز كيبلر الألماني. فعندما كان نيوتن في الثالثة والعشرين
من عمره، أثار سقوط تفاحة سؤالاً في ذهنه عن مدى قوة الجاذبية. وقد تبين
له أن نفس قوة الجذب التي سببت سقوط التفاحة هي التي يمكن أن تحافظ على
وضع القمر في مداره حول الأرض. ومن القوانين التي اكتشفها كبلر أوضح نيوتن
كيف أن قوة الجذب للشمس لا بد أن تقل بزيادة المسافة. وافترض أن قوة جذب
الأرض لا بد أن تسلك ذات السلوك، فتمكَّن من حساب القوة التي تجذب القمر
إلى الأرض عند سطحها. وقد ظهر أن هذه القوة هي ذات القوة التي أكسبت
التفاحة سرعة السقوط إلى سطح الأرض.
وعلى الرغم من ان قانون نيوتن كان
عام، الا انه لم يكن كامل. القانون لم يكن دقيق عندما تصبح الجاذبية قوية
للغاية او عندما تصل سرعة الجسم الى سرعة الضوء 300000 كيلومتر في
الثانية. إضافة الى ذلك فإن الفلكي Urbain le Verrier, لاحظ في منتصف
القرن الثامن عشر ان كوكب الزهرة ينحرف مداره قليلا عما تفترضه نظرية
نيوتن.وهذه الضاهرة تشكك فى صحة نضرية جاذبية نيوتن واثارت تساؤلات وحيرة
العلماء فقط بفضل نظرية النسبية العامة العبقرية لاينشتاين، والتي ظهرت
عام 1915، اصبح بالامكان تفسير انحراف مدار كوكب الزهرة، وهو تصحيح ضروري
فقط في حقول الجاذبية القوية. حسب نظرية النسبية العامة، فإن الجاذبية
ليست قوة، كما اشار نيوتن، وانما خاصية من خصائص المكان. نظرية النسبية
تقول ان الاجسام الكونية، مثل الكواكب والشموس، تقوم بحني الزمكان المحيظ
بها. الزمكان هو الابعاد الثلاثة إضافة للزمن. يمكن تمثيل الامر من خلال
تصور غشاء من المطاط الطري والمشدود. عندما تتدحرج كرة على هذا الغشاء
تاخذ طريقا مستقيماً، ولكن إذا صادف وجود كرة اخرى ضاغطة بثقلها على سطح
الغشاء المطاطي فإن الكرة الاولى ستتوجه الى الانحناء وتهبط في الحفرة
المحيطة بالكرة الثانية لتخرج ثانية في إتجاه اخر. الناظر سيرى وكان
الكرتين جذبوا بعضهم البعض، في حين ان الحقيقة هي ان " انجذابهم" هو نتيجة
انبعاج الزمكان حول احدى الكرتين.


إذن، وحسب نظرية اينشتاين،
فغن الكواكب لاتتأثر بقوة جذب صادرة عن الشمس، وانما تتبع الانحناءات
الموجودة في الزمكان حول الشمس. هذه النظرية جرى اختبارها من قبل القمر
الصناعي Gravity Probe B, والذي قام بقياس الانحاء في الزمكان حول الارض.
النتائج النهائية ستكون جاهزة عام 2010، ولكن النتائج الاولية تشير الى ان
اينشتاين على حق.. بهذا الشكل يظهر بوضوح ان ايشتاين قام بتحسين موديل
نيوتن، بحيث اصبح يشمل الاجسام الكونية ايضا.



على
العكس اشار اينشتاين بوضوح الى ان نظريته غير صالحة للاجسام على المستوى
الذري والجزيئات الذرية، حيث حقل الجاذبية صغير للغاية. للوصول الى اعلى
احتمال هنا، نحتاج الى تعديل على المعادلة. الحاجة الى هذا التعديل جرى
تأكيده من قبل جانب كبير من الاختصاصيين، وعلى مدى عشرات السنوات من خلال
ملاحظاتهم سلوكيات غريبة لاجسام تحت تأثير الجاذبية في الفضاء الخارجي.

في
المرة الاولى التي اصطدم فيها الخبراء بهذه الظاهرة كان في سبعينات القرن
الماضي، عندما بدأ عالم فيزياء الكون الامريكي John D Anderson, في تحليل
مدارات القمرين الصناعيين Pioneer 10&11. القمرين الصناعيين اللذان
يقومان بمراقبة الاقسام العليا من المجموعة الشمسية، يتحركان ببطء اكثر
مماينبغي، الامر الذي يعطي الانطباع وكان هناك قوة تقوم بالتأثير عليهم
وكبح سرعتهم.

هذه الظاهرة اللغز تأكدت بملاحظات ودراسات لمجموعات
اخرى لأقمار صناعية حول الارض في طريقها الى الفضاء الخارجي. من الطبيعي
ان تقوم الاقمار الصناعية بالدوران حول الارض اولا من اجل الانطلاق لاحقا
الى الفضاء الخارجي، إذ ان ذلك يهدف الى استغلال قوة الجاذبية من اجل رفع
السرعة. غير ان التجربة اظهرت ان السرعة إزدادت، في خمسة حالات من ستة،
الى مستوى اعلى مما هو متوقع. القمر الصناعي الوحيد الذي لم تزداد سرعته
كالبقية هو Messenger, غير ان سبب ذلك، على الاغلب، في كونه القمر الوحيد
الذي كان يملك مدارا متناظرا تقريبا حول خط الاستواء. في حين نجد ان
القياسات تشير الى ان القمر الصناعي NEAR, زادت سرعته 13 ميليمتر في
الثانية بالمقارنة مع السرعة المتوقعة. وعلى الرغم من ان هذه الزيادة تشكل
واحد من مليون من السرعة الكلية للقمر، فلايوجد اي شك لدى العلماء ان هناك
تأثير فعلي، من حيث ان دقة ادوات القياس تصل الى 0,1 ميليمتر في الثانية.
النتائج تثير البلبلة بين العلماء. ماهي القوة التي تكبح القمرين الصناعيين بيونير، وماهي القوة التي تزيد من سرعة الاقمار الاخرى؟



في
العديد من مناطق الكون الاخرى يوجد مايتعارض مع ماتوصلنا اليه بشأن
الجاذبية. منذ سبعينات القرن الماضي، والعلماء يعَوون ان حركة الاطراف
الخارجية للمجرات لاتتوافق تماما مع نظرية الجاذبية. حسب ديناميك نيوتن،
يجب على النجوم الموجودة في المجرات ان تدور في مدارات اهليجية وان تنخفض
سرعتها كلما ازدادت المسافة الى المركز. غير ان الواقع ليس كذلك. عوضا عن
ان تنخفض السرعة نجد ان السرعة ثابتة لاتتغير في اغلب اجزاء المجرة.
كبداية انطلق الفلكيين من ان المجرات لابد انها تحتوي على مادة "مجهولة"
اطلق عليها المادة المظلمة، وان قوة جاذبية هذه المادة هي التي تؤثر على
النجوم. هذه المادة المظلمة، تجريدية، وتستخدم فقط من اجل تفسير " موديل"
حركة النجوم. فرضية وجود المادة الظلمة، كانت على الدوام حل مؤقت وغير
مرضي علميا، إذ ان هذه المادة المفترضة لاتمتلك خواص فيزيائية محددة. لهذا
السبب كان من المستحيل تاكيد او رفض الفرضية

الجاذبية بتفسير نضرية ميلغروم

احدى
اوائل المحاولات من اجل تقديم بديل للمادة المظلمة جرت عام 1983، عندما
قام العالم الاسرائيلي Mordechai Milgrom, من معهد وايزمان للعلوم بتقديم
ديناميك نيوتن محسن قادر على تفسير حركة النجوم في المجرات. نظرية ميلغروم
تقول ان نظرية نيوتن لاتنطبق على المناطق التي تملك كثافة مادية منخفضة،
وهو الامر الذي يميز اطراف المجرات. التعديل الذي قام به ميلغروم على
المعادلات جعل الجاذبية تصبح اقوى في الاطراف. هذه النظرية الجديدة اطلق
عليها اسم (modifierad newtonsk dynamik), MOND, وقادرة على تفسير حركة
النجوم بدون الحاجة لافتراض المادة المظلمة.

عام 2004 فام العالم
الاسرائيلي Jacob Bekenstein, بتطوير اعمال زميله ميلغروم، بحيث ان
النظرية اصبحت قادرة ان تحمل في طياتها ليس فقط معاني نظرية نيوتن
الكلاسيكية، وانما ايضا نظرية اينشتاين عن النسبية العامة. النظرية
الجديدة اطلق عليها اسم TeVeS, (Tensor-Vektor-Skalär). العوامل الداخلة
في تينسور لها جذور في نظرية النسبية، وهو الطرف الرياضي الذي يقوم بتحديد
ابعاد الزمكان. الفيكتور يقوم بضمان ان المادة والاشعاعات في علاقة
ديناميكية، والطرف الاخير يحدد قوة الجاذبية في مختلف المناطق من الكون.
هذه الجوانب الثلاثة تعني ان النظرية تحتوي جاذبية نيوتن ونسبية اينشتاين
وتعديلات ميلغروم.

النظرية الجديدة جرى اختبارها من قبل
الفيزيائيين Costantinos Skordis & Pedro Ferreira, من جامعة اكسفورد
البريطانية، وجرى التأكد من انها لاتحتاج الى مادة مظلمة. هذا الامر يفتح
المجال لحل لغز ظواهر الجاذبية نظريا بدون الحاجة الى الملاحظات.

الجاذبيةبتفسير نضرية الكم

وحتى
فيزياء الكم يعمل بنشاط من اجل تحسين قانون الجاذبية. ميكانيك الكفانت
(الكم) هو فرع من فروع الفيزياء يهتم بالعلاقات الداخلية بين الجزيئات على
المستوى الذري ومكوناته.

الكهرومغناطيسية الفرضية التي طرحها
منظريي علم فيزياء الكم تقول ان قوة الجاذبية يجري نقلها من خلال تبادل
جزيئات تسمى graviton. ان هذا المبدأ ينطبق على القوى الرئيسية الثلاثة
الاخرى، يعلمه العلماء سابقا. مثلا نعلم ان الكهرومغناطيسية يجري نقلها من
قبل الجزيئ foton, والذي يعني ان المغناطيس يلتصق بقطعة الحديد لان
الفوتونات تقفز مابين الاثنين، دعابا واياباً.

المشكلة ان
الفيزيائين لم يعثروا ابدا على هذا الجزيئ الذي ينقل الجاذبية. هذا
التفسير يعني ان التفاحة التي تسقط من شجرة التفاح الى الارض تتبادل
جزيئات الكرافيتون مع الارض. هذه الكرافيتونات تتجسد لفترة ضئيلة للغاية
بحيث انه يستحيل توثيقها، وبهذا، ولو كانت فعلا موجودة فليس من السهولة
استشعارها. وإذا كنا سنصدق نظرية جديدة في فيزياء الكفانت (الكم)، فإن
الجاذبية لايمكن رصدها في عالمنا ذو الابعاد الاربعة، لانه، وببساطة قادرة
على الاختفاء في الابعاد الاخرى للكون. الاثار الوحية الممكنة عليها، هي
الطاقة التي يفقدها عالمنا، غير ان ظاهرة من هذا النوع لم تجري ملاحظتها
على الاطلاق. من هنا لايوجد اي شك ان الكلمة الاخيرة بشأن الجاذبية لم
تُكتب بعد.

و هذا بعض الصور الكبيرة التي توضح مسار الكوكب بحسب اينشتاين و كذلك انحناء الزمكان :






و
الذي فهمته من الويكيبيديا ان الجاذبية تعتبر كموجة و لذلك فان هذه الموجة
تؤثر على مسار الكوكب اذا جاءت من كوكب قريب منه الامر الذي يؤدي الى
انحراف مساره, و التفاعل الداخلي للنظام المجموعة الشمسية يجعل هذا
الانحراف بشكل دوري.

تأثير موجة الجاذبية على مجموعة من الاجسام.

مقتبس من الويكيبيديا


و هذا الموقع للاطلاع على اخر نتائج مهمة القمر الصناعي Gravity Probe B

http://einstein.stanford.edu/highlights/status1.html

حيث
ان هذا القمر الصناعي يحسب التغير الدقيق في دوران جهاز الجيرسكوب
"gyroscopes " و من ثمة يتم قياس مسار الزمكان, و للاطلاع على معلومات حول
هذا القمر يرجى زيارة :
http://www.xs4all.nl/~carlkop/gravpro.html

و كذلك للمعلومات حول جهاز الجيرسكوب :
http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscope
http://science.howstuffworks.com/gyroscope1.htm

معلومات مفيدة
الله يبارك فيك
ا